２方向水平力を受ける鋼製橋脚の弾塑性挙動
日本鉄道建設公団 正会員 高原 英彰1 愛知工業大学 正会員 K.A.S. Susantha2
名古屋大学 フェロー 宇佐美 勉3 名古屋大学 正会員 葛西 昭3 愛知工業大学 正会員 青木 徹彦2 1．まえがき
現在の橋梁構造物の耐震設計では，橋軸方向および橋軸直角方向で独立に耐震検討を行っており，２方 向地震動が入力された際の耐震安全性を検討した例は少ない．特に，水平２方向繰り返し外力を受ける鋼 製橋脚の弾塑性挙動に関する研究は少なく，強度と変形能を把握するに至っていない．そこで本研究では，
正方形補剛箱型断面を有する鋼製橋脚の水平２方向に繰り返し荷重を受ける際の弾塑性挙動を解析的に解 明し，同橋脚が所有する強度および変形能についての詳細な検討を主目的としている．
2．解析概要
解析対象は図1に示すように，柱頂部に一 定の鉛直荷重を受け，地震力に相当する水平 力を受けるような鋼製橋脚であり，正方形補 剛箱型断面を有する．鉛直荷重に関しては P/Py=0.2 とした．ここで，P＝鉛直荷重，Py
＝全断面降伏荷重である．また，局部座屈が 柱基部付近に発生することから，図1に示さ れるように，基部から3ダイヤフラム間隔の 領域にシェル要素，その上部は梁要素を用い，
シェル要素と梁要素との間には剛体要素を用 いて適切に接続する．ただし，梁要素部分の 断面は断面積，断面2次モーメントが等しく なるような等価な無補剛正方形箱型断面とし た．また，解析モデルとして，幅厚比パラメ ータが0.35と0.46，細長比パラメータが0.35
と0.50を用い，それぞれ組み合わせて合計3種類の解析ケースを準備した．解析モデル名としては始めの アルファベットのBは箱形断面を表し，次の2種類の数字はそれぞれ幅厚比パラメータ，細長比パラメー タの小数点以下第2位を表したものである．鋼材はSM490を用い，材料定数は本研究と同目的を持つ実験 的研究に用いた材料試験の結果（E=206GPa，ν=0.276，σy=411.5MPa）を用いた．
シェル要素 梁要素
tb
tb Db
Bb
(a)立体図 (b)断面図
図１ 解析モデル
P
h
Hy Hｘ
Z
Y
X
ld@3 [mm]
Y ts X
bs B
D
Y
X
鋼製橋脚の強度や変形能を調べるために，本研究では柱頂部に与える変位として，7 つの載荷パターン を用いた．一方向比例載荷としては，X方向のみのもの（UNI）とX-Y方向同時入力でX方向から45°
傾けたもの（BI-L45），22.5°傾けたもの（BI-L22），以上の合計 3 種類の載荷パターンを採用し，直線載 荷と称する．一方，各方向成分が非比例となる載荷パターンとしては，らせん状の円（BI-CI）とらせん状 の楕円（BI-OV），載荷パターンBI-OVを45°傾けたもの（BI-OV45），らせん状の四角形（BI-SQ），以上 の合計4種類の載荷パターンを用い，スパイラル載荷と称する．その一部を図2に示す．
キーワード：2方向水平力，鋼製橋脚，破壊点
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Y Y Y 3．解析結果と考察
図２ 載荷パターン
X X
X
(a)UNI，BI-L45，BI-L27 (b)BI-CI (c)BI-OV X
まず，本研究における破壊点とは 最大荷重を過ぎ荷重がその95%まで 低下したときの荷重に対応する変位 とする．また，繰り返し載荷によっ て＋δ方向載荷時に正の破壊点が得 られ，−δ方向載荷時に負の破壊点 の両方が得られるが，本研究ではそ
れらの値の絶対値が小さい破壊点を真値として採用した．
図 3 にそれぞれの解析モデルの破壊点の相関関係を示す．横軸にX方向の破壊点を，縦軸にY方向の破 壊点を取り，対称性を利用してそれぞれ載荷パターンUNIの破壊点で除して無次元化したものを取る．ま た，3種類の直線載荷は一つのマークで示し，載荷パターンUNI，BI-L27については対称性を利用し2点 プロットしている．なお，図中の実線は各方向を独立に評価している現在の設計法における2方向水平力 を受ける鋼製橋脚の破壊線を示し，点線は結果を評価しやすいように描いた半径1の円弧である．
各解析モデルにおける破壊点の相関図を見ていくと，解析モデルB35-50およびB46-35においては便宜 上描いた円弧に沿ってプロットされている．しかし，解析モデルB35-35の載荷パターンBI-CI，BI-OV，
BI-OVL45 が大きく内に入っている．これらの原因については現在検討中である．また，全ての解析結果
を見ると，ほとんどの解析結果が実線よりも内に入っていることがわかる．このことから，今までの設計 法に見られる単なる重ね合わせの原理では橋脚の耐震性能を過大評価しており，この過大評価した部分を 適切に判断できる設計法を発案する必要がある．よって，鋼製橋脚の安全基準を明確に判断できるように，
２方向水平載荷による破壊点の相関関係上に更により多くのデータを蓄積し，耐震性を判断する基準を導 いていく必要がある．
0 0.5 1
δu,X/δu,UNI 0
0.5 1
δu,Y/δu,UNI
STRAIGHT BI-CI BI-OV BI-OVL45 BI-SQ B46-35
0 0.5 1
δu,X/δu,UNI 0
0.5 1
δu,Y/δu,UNI
STRAIGHT BI-CI BI-OV BI-OVL45 BI-SQ B35-50
0 0.5 1
δu,X/δu,UNI 0
0.5 1
δu,Y/δu,UNI
STRAIGHT BI-CI BI-OV BI-OVL45 BI-SQ B35-35
図3 破壊点の相関関係 4．まとめ
現設計法では橋脚の耐震性能を過大評価していることから，2 方向水平力を受ける鋼製橋脚の弾塑性挙 動を解明する必要がある．本研究では，正方形断面橋脚のみを用いたが，長方形断面橋脚など様々な橋脚 に対する検討，解析だけでなく実験における検討，その他の様々な載荷パターンに対する検討を行い，実 際の地震動に対する合理的な耐震設計を確立していく必要がある．
参考文献
杉浦邦征, ウォルター・オヤワ, 渡邊栄一：繰り返し２方向力を受ける角形鋼管柱の弾塑性挙動，第３回鋼構造物の非線形 数値解析と耐震設計への応用に関する論文集, pp.97‑104，2000.
小畑誠・下村太一郎・松尾奈緒美・後藤芳顯：橋脚モデルの2方向載荷疑似動的実験，土木学会第57回年次学術講演会概要 集，I-414，pp.827-828, 2002.
土木学会第58回年次学術講演会（平成15年9月）
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